この”プロセス設計の実務”では、プラントエンジニアリングの基幹となるプロセス設計の”イロハ”について説明しており、プラントエンジニアリングやプロセスエンジニアリングに興味がある社会人や学生を対象にしています。

この”プロセス設計の実務”では、基本に帰って「プロセス設計とは?」をもう少し掘り下げていきたいと考えています。その進め方については以下のように考えています。

  1. 「天然ガスを原料とする水素製造プラントのプロセス設計」を例題として設定いたします。
  2. プロセス設計というよりは基本設計+詳細設計の一部を含めた範囲としますので、機器設計や配管設計などに言及することが多くなります。
  3. 実際の設計に使用するエンジニアリング・ツールなどを使用しながら説明いたします。
  4. 更新のインターバルは原則として週1回(月曜日)と考えていますが、他のテーマを優先することもあります。

4.2 ポンプの設計
4.2.2 ポンプのデータシート(運転条件-3 揚程について)

揚程Hは全揚程あるいは総揚程とも呼ばれ、次式で表現されている。

H = (pd/G+hd+vd^2/2g) -(ps/G+hs+vs^2/2g)+hw

ここでpは圧力、hは液面高さ、vは流速で、dはdelivery、sはsuction、wは損失、そしてGは密度と重力加速度の積を表しています。もし、吸込側と吐出側の配管径が同じ場合にはvs=vdより、揚程Hは吐出側と吸込側における(圧力+液面)の差に損失ヘッドを合計したものとなります。

この全揚程を構成するそれぞれのパラメータについて説明し、前回の宿題になっていました余裕についての考え方を紹介します。

パラメータ 特記事項 設計余裕
ps: 吸込側圧力 ポンプ吸込側の基準圧力で、ポンプに直結している容器圧力 ポンプ吸込側にストレーナーが設置される場合には、圧損を20~50kPaとする。
hs: 吸込側液面高さ ポンプ吸込側の容器内の液面高さ 設計に使用する容器内液面高さは、最低レベルを液面高さに設定する。
vs: 吸込側流速 吸込側流速は1.0~1.5m/sがほとんど。 NPSHの計算にはこの速度ヘッドを忘れないように。
pd: 吐出側圧力 液移送の対象となる機器圧力。 機器の最高運転圧力を吐出側最高圧力とするケースが多い。例えばボイラでは、その安全弁吹き出し圧力を最高運転圧力に選ぶ場合もある。
hd: 吐出側液面高さ 吐出側容器の上から液を注入する場合には、液面高さは考慮しなくて良い。 吐出側容器の液面下に液を注入する場合には、液面高さがそのまま吐出側圧力に加算されるので注意。
vd: 吐出側流速 吸込側よりは若干流速が早い。 例えば、1.2~1.8m/sec。配管が太く圧損がつかない場合には2m/sec以上も可能。ただし、errosion速度以下にしなければならない。
hw: 圧損 圧損には配管やfittingなどの圧損以外に、流量計(オリフィスやフローノズル)、制御弁、ストレーナーなどがある。 流量計や制御弁のサイジングを行い、配管径と比較しながら圧力バランスを計算していく。配管径より制御弁サイズが大きくなるのは、制御弁の許容圧損が少ないことが多い。

遠心ポンプの選定と選定図

遠心ポンプの形式を選定する方法には、比速度を計算して形式を選定するやり方とメーカーの選定図を用いて形式を選定する二つの方法があります。
大学などの講義ではポンプの基礎から始めるので、最初の比速度を計算する方法を教えていますが、実務ではJIS B 8313,B8319,B8322(例えば、”兵神装備オリジナル技術データ集エンジニアズブックのポンプ形式選定図”)やメーカーが自社の型番に限定して公開している選定図(例えば、横田製作所トップページ→製品情報→プロセスポンプ→選定・外寸図)を用いて形式や型番を選定しています。